Ovládání laboratorního modelu robota Mindstorms

Ovládání laboratorního modelu robota Mindstorms Control of laboratory model Mindstorms robot

Bc. Roman Matušů

Diplomová práce 2008

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008

4

ABSTRAKT Práce pojednává o hardware a software robota NXT MINDSTORMS. V teoretické části se čtenář seznámí s hardwarovým vybavením robota, pouţitou technologii a způsobu komunikace řídící jednotky s okolím, ať uţ pomocí kabelu nebo bezdrátové technologie Bluetooth. Dále se dozví o programových moţnostech řídící jednotky a postup její aktualizace. Teoretická sekce také zahrnuje existující moţnosti vytváření programů v různých vývojových prostředích. Praktická část práce je rozdělena do dvou částí. V první části se zaobírá vývojem Windows aplikace, která ovládá robota pomocí technologie Bluetooth s vyuţitím jazyka NXT#. V druhé části jsou rozpracovány a popsány dvě laboratorní úlohy s vyuţitím robota NXT Tribot.

Klíčová slova: NXT, MINDSTORMS, NXT-G, NXT#, robot, BricxCC, RobotC, LeJOS, senzor, Bluetooth

ABSTRACT This master thesis deals with hardware and software of NXT MINDSTORMS robot. Theoretical part is focused on the hardware and software equipments of robot, used technology and methods of communication between central unit and PC either by cable or via Bluetooth. Next it presents programmatic possibilities and how to update the central unit. The theoretical part also includes existing possibilities of creating the control program in the different development applications. The practical part is separated into two parts. The first part is focused on the development of Windows application, for the purpose of controlling of the robot via Bluetooth technology by means of NXT# language. The second part contents defining and description of two laboratory tasks with used robot NXT Tribot.

Keywords: NXT, MINDSTORMS, NXT-G, NXT#, robot, BricxCC, RobotC, LeJOS, sensor, Bluetooth


5

Touto cestou bych chtěl poděkovat mému vedoucímu diplomové práce, kterým byl Ing. Roman Šenkeřík za odborné vedení, poskytování rad a pomoci během mé práce. Dále bych chtěl poděkovat mému kamarádovi Tomáši Valovému a jeho otci za umoţnění vyuţívání jejich grafického studia. Poděkování zaslouţí i pracovníci kopírovacího pracoviště společnosti CENTROPROJEKT a.s., kteří mi umoţnili laborování s barevným podkladem pro světelný senzor. V neposlední řadě bych chtěl také poděkovat svým rodičům za pomoc a morální podporu během celého studia.

Prohlašuji, ţe jsem na diplomové práci pracoval samostatně a pouţitou literaturu jsem citoval. V případě publikace výsledků, je-li to uvolněno na základě licenční smlouvy, budu uveden jako spoluautor.

Ve Zlíně

……………………. Podpis diplomanta


6

OBSAH ÚVOD ......................................................................................................................................... 8 I TEORETICKÁ ČÁST.......................................................................................................... 9 1 HARDWAROVÉ A SOFTWAROVÉ VYBAVENÍ ROBOTA NXT .................. 10 1.1 HARDWAROVÉ VYBAVENÍ ROBOTA NXT................................................................ 11 1.1.1 Řídící jednotka NXT ....................................................................................... 13 1.1.2 Kabely spojující jednotku s periferiemi ......................................................... 16 1.1.2.1 Redukční kabel pro NXT ....................................................................... 16 1.1.3 Výstupní zařízení ............................................................................................. 17 1.1.4 Vstupní zařízení ............................................................................................... 18 1.1.4.1 Tlakový senzor ........................................................................................ 18 1.1.4.2 Světelný senzor ....................................................................................... 19 1.1.4.3 Zvukový senzor ....................................................................................... 20 1.1.4.4 Ultrazvukový senzor ............................................................................... 20 1.1.4.5 Doplňkové senzory ................................................................................. 21 1.1.5 Komunikace s PC ............................................................................................ 24 1.2 SOFTWAROVÉ VYBAVENÍ ROBOTA NXT ................................................................. 24 1.2.1 Firmware .......................................................................................................... 24 1.2.1.1 Standardní LEGO NXT firmware.......................................................... 26 1.2.1.2 RobotC firmware .................................................................................... 27 1.2.1.3 LeJOS ...................................................................................................... 27 1.2.1.4 NBC/NXC firmware ............................................................................... 28 1.2.1.5 Ostatní firmware ..................................................................................... 28 1.2.2 Souborový systém NXT .................................................................................. 28 2 MOŽNOSTI PROGRAMOVACÍHO JAZYKA A KOMUNIKACE.................. 29 2.1 VÝVOJOVÉ PROSTŘEDÍ ............................................................................................. 29 2.1.1 NXT Program .................................................................................................. 29 2.1.2 Lego mindstorms NXT: NXT-G .................................................................... 30 2.1.2.1 Popis aplikace.......................................................................................... 31 2.1.2.2 Základní funkční bloky........................................................................... 33 2.1.2.3 První program pro robota NXT.............................................................. 35 2.1.3 Bricx Command Center ................................................................................... 35 2.1.3.1 Popis programu BricxCC ....................................................................... 36 2.1.3.2 Syntaxe programu ................................................................................... 37 2.1.3.3 Jednoduchý program pomocí BricxCC ................................................. 39 2.1.4 RobotC ............................................................................................................. 40 2.1.4.1 Popis aplikace.......................................................................................... 40 2.1.4.2 Syntaxe příkazů ....................................................................................... 41 2.1.4.3 Jednoduchý program v RobotC.............................................................. 41 2.1.5 LeJOS ............................................................................................................... 42 2.1.6 NXT# ................................................................................................................ 42 2.1.6.1 SharpDevelop 2.2.................................................................................... 42 2.1.6.2 Borland Turbo C# 2006 Explorer .......................................................... 43 2.1.6.3 Microsoft Visual C# 2005 Express ........................................................ 44 2.1.6.4 Syntaxe příkazů ....................................................................................... 45 2.2 MOŢNOSTI KOMUNIKACE ......................................................................................... 46 2.2.1 Komunikace pomocí kabelu ........................................................................... 46


7

2.2.2 Komunikace pomoci bluetooth ....................................................................... 46 2.2.2.1 Komunikační vrstvy................................................................................ 48 2.2.2.2 Struktura paketů ...................................................................................... 48 II PRAKTICKÁ ČÁST .......................................................................................................... 50 3 OVLÁDÁNÍ ROBOTA NXT POMOCÍ PC ............................................................ 51 3.1 POPIS PROGRAMU ..................................................................................................... 51 3.2 POUŢITÉ VÝVOJOVÉ PROSTŘEDÍ A SYNTAXE ........................................................... 52 4 NÁVRH LABORATORNÍCH ÚLOH ...................................................................... 57 4.1 INTELIGENTNÍ VYHLEDÁVAČ STOPY ........................................................................ 57 4.1.1 Zadání ............................................................................................................... 57 4.1.2 Návrh vývojového diagramu........................................................................... 57 4.1.2.1 Význam symbolů .................................................................................... 57 4.1.2.2 Vývojový diagram .................................................................................. 59 4.1.3 Vytvoření programu ........................................................................................ 60 4.1.4 Závěr ................................................................................................................. 66 4.2 AUTOMATICKÝ PŘEVOZNÍK NÁKLADU .................................................................... 66 4.2.1 Zadání ............................................................................................................... 66 4.2.2 Testovací podloţka .......................................................................................... 67 4.2.3 Návrh vývojového diagramu........................................................................... 68 4.2.4 Vytvoření programu ........................................................................................ 69 4.2.4.1 Popis prostředí......................................................................................... 69 4.2.4.2 Zdrojový kód ........................................................................................... 69 4.2.5 Závěr ................................................................................................................. 74 ZÁVĚR .................................................................................................................................... 75 ZÁVĚR V ANGLIČTINĚ..................................................................................................... 76 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY ................................................................................. 77 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ....................................................... 79 SEZNAM OBRÁZKŮ ........................................................................................................... 80 SEZNAM TABULEK ............................................................................................................ 83 SEZNAM PŘÍLOH ................................................................................................................ 84


8

ÚVOD Existence lidí jde ruku v ruce s neustálým vývojem. Člověk se vţdycky snaţil o to, aby si ulehčil práci. S vývojem techniky nabral pokrok velkou rychlost. Za poměrně krátké období dospěla technika takového rozmachu, ţe se její produkty staly kaţdodenním společníkem téměř kaţdého člověka. Dalo by se říct, ţe uţ máme všechno, jen nemáme a asi ani nikdy nebudeme mít dost. Vývoj neustále pokračuje. Rodí se děti, které uţ mají dnešní pokrok v krvi. Malé děti dokáţou ovládnout všechny funkce mobilního telefonu během několika minut, přičemţ nepotřebují ani návod. To se vůbec nedá říct o spoustě lidí středního věku, kteří jsou většinou rádi, kdyţ si umí pouţívat alespoň základní funkce jako je volaní a psaní SMS. V roce 1949 vznikly první kostičky, které umoţňovaly pevné, ale rozebíratelné stavby. Tento vynález se nevídaně ujal ve světě hračkářství. Teprve však v roce 1958 expandoval tento výrobek do téměř celého světa pod názvem LEGO. Dobře si pamatuji, kdyţ jsem já jako dítě dostal první kyblík těchto zázračných kostiček. Od té chvíle jsem nedělal nic jiného, neţ stavil různé autíčka a vymýšlel spoustu konstrukcí, abych docílil největší univerzálnosti. I kdyţ byla stavebnice velmi variabilní, brzy vyčerpala všechny nápady a stala se tak pro dětskou fantazii nedostatečná. Ovšem tuto skutečnost si dobře uvědomovali i samotní tvůrci a tak přišli s pokročilejší verzí LEGO Technik. Tahle stavebnice mne opět dokázala zabavit na poměrně dlouhou dobu. Co víc si mohl malý kluk přát víc, neţ postavení si vlastního autíčka, kde se přední kola otáčela pomocí volantu jako u opravdového auta. Autíčku uţ chyběl jen vlastní motor, který jsem získal z rozebraného policejního auta na tuţkové baterie a pomocí provázku jsem jeho točivý moment převáděl na osu zadních kol. To byla doba, kdy většina dětí neměla přístup k počítačům. Dnes uţ je všechno jinak a tomu se přizpůsobila i stavebnice LEGO svými produkty. Aktuálně je to produkt MINDSTORMS NXT, kde uţ se vyuţívá moderní technologie v plném rozsahu. Jako centrum inteligence slouţí řídící jednotka, která z tohoto produktu vytvořila hračku nejen pro děti, ale i pro dospělé. Díky Open Source licenci se dosáhlo velkého mnoţství vyuţití pro tento produkt. Studenti se zde můţou naučit základům robotiky nebo automatizace celkově. Stačí jen znovu rozvinout fantazii jako v dětství.


I. TEORETICKÁ ČÁST

9


1

10

HARDWAROVÉ A SOFTWAROVÉ VYBAVENÍ ROBOTA NXT

Veškeré vybavení je moţno zakoupit ve stavebnici LEGO MINDSTORMS, která obsahuje součástky potřebné k postavení libovolného robota. Obsahem je také CD s uţivatelským programem, ve kterém je moţno vytvářet jednoduché programy pro robota.

Obrázek 1: Lego mindstorms NXT kid Stavebnice dále nabízí jednoduchou trasu vykreslenou na tvrdém papíru velikosti A1. Trasu představuje černá linie ve tvaru oválu. Sledování této linie je moţné naučit například Tribota, který má pro takový úkol správně umístěný potřebný senzor.

Obrázek 2: Model tribot Lego tímto produktem otevírá cestu novým nápadům a rozvíjí lidskou fantazii ve spojení s technikou. Důkazem je například ztvárnění zvířecího robota škorpiona.

Obrázek 3: Model scorpio


11

Protoţe pod názvem robot si většina lidí představí napodobeninu člověka, kterou ovládá spoustu motorků a různých svíticích senzorů, nesmíme zapomenout na další oblíbený model, kterým je humanoid.

Obrázek 4: Model humanoida

1.1 Hardwarové vybavení robota NXT Začátek práce s jakýmkoli technickým zařízením si nejprve vyţaduje důkladné seznámení s jeho částmi a rovněţ s funkcemi jednotlivých částí. Systém LEGO Mindstorms umoţňuje sestavovat a taky programovat roboty postavené z hodně známých LEGO kostek. Vývoj robotů od LEGA prošel od počátku svého vývoje velkými změnami. Oproti předchozímu modelu RCX který byl spíše určený ke spojení se systémem LEGO CITY, je model NXT určen ke spojení se systémem LEGO TECHNIC.

Obrázek 5: Starší model RCX


12

I kdyţ oba zmíněné systémy je moţno za pomoci speciálních přechodových kostek kombinovat. Nový model NXT (Obrázek 6) nabízí spoustu nových funkcí a obsahuje úplně nové druhy senzorů jako je zvukový (3) a ultrazvukový senzor (5). Dále disponuje 3 servomotory (6), tlakovým senzorem (2) a světelným senzorem (4). Všechny tyto komponenty sdruţuje srdce celé technologie, kterou je řídící jednotka (1).

Obrázek 6: Technologie NXT Bohuţel postrádá teplotní senzor, který se neprodává se ani jako příslušenství, jako tomu bylo u starého systému. Oproti předchozímu modelu RCX uţ zde nenajdete ani samostatný senzor otáček, který uţ není potřebný, neboť kaţdý ze tří servomotorů ho má uţ zabudovaný a umoţňuje tak přesnější řízení robota. Také způsob komunikace s PC zase o něco dospěl. Na rozdíl od starého systému, který pouţíval ke komunikaci IR věţ, umoţňuje NXT vyuţití technologie Bluetooth nebo kabelu s konektorem USB, který je součástí stavebnice.


13

Obrázek 7: Porovnání jednotky RCX a NXT 1.1.1

Řídící jednotka NXT

Řídící jednotka je mozkem celého MINDSTORMS robota. Díky ní sestavený robot oţívá a můţe vykonávat různé operace.

Obrázek 8: Popis řídící jednotky


14

Na první podhled uvidíme nenápadnou bílou krabičku, na jejímţ povrchu je displej a čtyři funkční tlačítka. Největší z nich je oranţové tlačítko, které slouţí k zapnutí robota, potvrzování výběru v menu a spouštění jednotlivých programů. Dvě trojúhelníkové tlačítka umoţňují pohyb v grafickém menu, které se zobrazuje na displeji. Poslední obdelníkové šedé tlačítko umoţňuje akci zpět během pohybu v menu a taky slouţí pro vypnutí jednotky. Uvnitř tajemné krabičky se skrývá vlastní elektronika (Obrázek 9) a ze spod je umístěno 6 tuţkových baterií typu AA nebo lithiová dobíjecí baterie.

Obrázek 9: Elektronika řídící jednotky Na bocích dvou uţších stran (podle Obrázek 8) krabičky jsou rozmístěny porty. Na horní straně jsou to porty A, B a C pro připojení servo-motorů a taky konektor pro USB kabel. Na spodní straně jsou pak porty 1, 2, 3 a 4 pro připojení senzorů robota. Jeden z těchto portů zahrnuje normu IEC61158, typ 4 / EN50170, coţ nám do budoucna umoţní připojení senzorů, vyţadujících vysokou přenosovou rychlost. Všechny kabely jsou šesti-vodičové a jsou zakončeny podobným konektorem, jaký známe z telefonních kabelů, s tím rozdílem, ţe má šest dráţek a pérko po zajištění ve zdířce je umístěno na okraji konektoru. Technická specifikace:  32-bitový mikroprocesor ARM7

48 MHz 256 KB flash paměť 64 KB paměti RAM  8-bitový co-procesor AVR

4 MHz 4 KB flash paměť 512 B paměti RAM

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008  4 vstupní porty a 3 výstupní porty vyuţívající 6-ti vodičovou digitální platformou  LCD maticový displej o velikosti 100×64 pixel  Vestavěný reproduktor

8 kHz kvalita zvuku 8-bitový zvukový kanál Frekvenční rozsah 2-16 kHz  Bluetooth třídy II v2.0 CSR BlueCoreTM 4 + EDR (Enhanced Data Rate)

Podporuje komunikaci po sériovém portu (SSP) 47 KB vnitřní paměti RAM 8Mbit vnější paměti FLASH 26 MHz  USB 2.0 port (přenos 12Mbit/s)  Elektrické zdroje: nabíjecí lithiová baterie nebo 6AA článků  Vývojové nástroje pro známé platformy (Windows, MAC OS, Linux)

Obrázek 10: Blokové schéma řídící jednotky

15


1.1.2

16

Kabely spojující jednotku s periferiemi

Stavebnice MINDSTORMS NXT obsahuje 7 kabelů. Kaţdý kabel je sloţen z 6 vodičů a je na obou stranách zakončen koncovkou, která je podobná známému telefonnímu konektoru RJ12. Kabely jsou k dispozici ve 3 délkách. Kterýkoliv kabelem můţeme spojit libovolné zařízeni s řídící jednotkou. Komunikace s jednotkou je umoţněna dvojím způsobem a to buď analogově, nebo digitálně.

Obrázek 11: Schéma zapojení kabelů 1.1.2.1 Redukční kabel pro NXT Protoţe senzory dodávané k starší jednotce RCX pracují na téměř stejném principu jako nové senzory pro jednotku NXT, tak je můţeme vyuţívat a nahradíme tak absenci třeba tepelného senzoru. Ovšem původní senzory k jednotce RCX pouţívají jiné konektory, bylo nutné vytvořit redukční kabel, který je umoţní připojit i k nové řídící jednotce NXT

Obrázek 12: Redukční kabel pro senzory RCX Zařízení NXT jednotka + všechny NXT senzory NXT jednotka + všechny RCX senzory RCX jednotka + tlakový a svěrelný senzor RCX jednotka + zvukový a ultrazvukový senzor RCX jednotka + NXT jednotka

Kompatibilita ANO ANO ANO NE NE

Tabulka 1: Kompatibilita RCX a NXT zařízení

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 1.1.3

17

Výstupní zařízení

V tomto případě jsou výstupní zařízení 3 motory. Jedná se prakticky o servomotory, které lze pomocí řídící jednotky jednoduše ovládat.

Obrázek 13: Servomotor NXT

Servomotor je podstatně větší oproti předchozímu motoru pouţívaném s jednotkou RCX. Toto zvětšení způsobilo pouţití převodového ústrojí a vestavění rotačního senzoru. Díky těmto změnám se docílilo zvýšení síly motoru a taky zvýšení spolehlivosti. Servomotor dosahuje rychlosti aţ 200 otáček za minutu. Další velkou předností tohoto servomotoru je moţnost řízení otáčení s přesností aţ 1°. Rotační senzor taky umoţní snadnější synchronizaci dvou motorů nebo lze jeden motor pouţít jako ovladač jiného motoru.

Obrázek 14: Ústrojí servomotoru


18

Spolehlivé vyuţívání servomotorů hodně závisí na stavu baterie. Slabá baterie ovlivní jednak rychlost otáčení, ale hlavně přesnost při poţadavku na otočení o daný úhel.

Obrázek 15: Závislost výkonnosti motoru na točivém momentu při změně napětí 1.1.4

Vstupní zařízení

Vstupními zařízeními se v tomto případě míní různé senzory, které poskytují jednotce informace z okolí. Ve stavebnici jsou k dispozici 4 druhy senzorů a to zvukový senzor, světelný senzor, ultrazvukový senzor a tlakový senzor. 1.1.4.1 Tlakový senzor Jedná se v podstatě pouze o jednoduché tlačítko, které vrací hodnotu pravda nebo nepravda v závislosti na stavu tlačítka – stlačeno / nestlačeno. Princip je v rozpojeném elektrickém obvodu, který se po stisku dotykové plochy uzavře.

Obrázek 16: Princip tlakového senzoru


19

Tlakový senzor neprošel oproti jeho předchůdci ţádným velkým rozdílem. Jediný rozdíl spočívá k přizpůsobení pro LEGO Technic.

Obrázek 17: Tlakový senzor 1.1.4.2 Světelný senzor Jedná se o základní zařízení umoţňující robotu vidění, i kdyţ jen v omezené míře. Rozeznává pouze rozdíl mezi tmavým a světlým podkladem. V senzoru není zabudováno rozeznávání barev jako je červená, modrá, apd., ale vrací pouze intenzitu odraţeného světla. Návratová hodnota ze senzoru je v rozmezí 0 (tmavý) aţ 100 (velmi světlý). Tato hodnota je značně relativní, protoţe závisí na intenzitě osvětlení. Z tohoto důvodu můţe senzor pracovat ve dvojím reţimu a to buď v aktivním, nebo pasivním. Aktivní reţim spustí přisvětlení diodou, která emituje červené světlo a tím se docílí zesílení odrazivosti tmavých předmětů.

Obrázek 18: Světelný senzor


20

1.1.4.3 Zvukový senzor Zvukový senzor nahrazuje robotovi sluch. Umí pracovat ve dvou reţimech. První reţim se nazývá „adjusted decibel (dbA)“. V tomto reţimu senzor zachytává frekvenční rozsah zvuku pro člověka slyšitelného. V druhém reţimu, „standard decibel (db)“, zachytává všechny zvuky, i ty, které člověk neslyší.

Obrázek 19: Zvukový senzor Zvukový senzor se nejčastěji pouţívá pro spouštění různých příkazů, kdy můţeme například tlesknutím ruky spustit funkci motoru a pak ji dvojím tlesknutím zastavit. Stejně tak můţe reagovat na tichý a hlasitý povel. Senzor vrací procentuální hodnotu hlasitosti zvuku do 90dB (100%). Pro představu při běţné řeči bude senzor vracet hodnotu od 10% do 30%. 1.1.4.4 Ultrazvukový senzor Ultrazvukový senzor je novým senzorem ve stavebnici MINDSTORMS. Pracuje na principu odraţení vyslaného vysokofrekvenčního signálu od překáţky a dopadu zpět na senzor. Doba od vyslání signálu do jeho přijetí je úměrná vzdálenosti překáţky.

Obrázek 20: Princip ultrazvukového senzoru


21

Senzor tak robotu umoţňuje prostorové vidění. Dokáţe detekovat překáţky do vzdálenosti cca 255 cm. Lze jej pouţít rovněţ k rozeznávání pohybu před senzorem. Bohuţel dva a více robotů operujících v blízkém okolí se navzájem ovlivňují.

Obrázek 21: Ultrazvukový senzor 1.1.4.5 Doplňkové senzory Robota je moţno doplnit i senzory dodávanými firmami třetích stran. Jednou s nejvýznamnějších firem zabývajících se vývojem senzorů pro NXT je firma HITECHNIC. 1.1.4.5.1 NXT Compass sensor Rozšíří robota o schopnost navigace podle zemského magnetického pole. Jedná se o digitální kompas, který vrací aktuální pozici od 1° do 359 stupňů od severního pólu. Pracuje ve dvou reţimech. Ve čtecím reţimu vrací polohu a v kalibračním reţimu načítá magnetické pole kolem sebe a snaţí se anulovat ovlivnění čidla magnetickým polem motorů nebo baterií.

Obrázek 22: Digitální kompas


22

1.1.4.5.2 NXT Color sensor Jedná se o vylepšení světelného senzoru od společnosti LEGO. Detekuje daný rozsah barev a pak vrací jméno barvy. Pokud je intenzita mimo definovaný rozsah, vrátí číselnou hodnotu intenzity.

Obrázek 23: Color sensor 1.1.4.5.3 NXT IRSeeker Jedná se o senzor sloţený z pole infračervených detektorů umoţňující sledování pohybujícího se předmětu v rozsahu 135°. Senzor vrací směr pohybu a relativní sílu signálu z vyzařujícího předmětu. Ve spojení s koulí vyzařující IR záření je moţno naučit robota například hrát fotbal.

Obrázek 24: Detektro IR záření

Obrázek 25: Koule vyzařující IR záření

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 1.1.4.5.4 NXT Gyro Je senzor pracující na bázi gyroskopu. Na základě pohybu robota v prostoru vrací stupně rotace. 1.1.4.5.5 NXT Prototype board Firma HITECHNIC nabízí i moduly, které umoţňují vytváření vlastních senzorů a jejich testování. Vyrábí se ve dvou provedeních a to pájecí a konektorové. Výhodou konektorových je moţnost opětovného vyuţívání. Pájecí jsou vhodné spíše pro konečné zhotovení senzoru.

Obrázek 26: Konektorová deska pro tvorbu vlastních senzorů

Obrázek 27: Pájecí deska pro výrobu vlastního senzoru

23


24

Komunikace s PC

Komunikace s PC je umoţněna dvěma způsoby a to buď prostřednicím kabelu USB nebo bezdrátové technologie Bluetooth.

1.2 Softwarové vybavení robota NXT Aby robot oţil, potřebuje k tomu nějaký program, který ho naučí vyuţívat své schopnosti. Jako u kaţdého programovatelného zařízení, i u NXT záleţí na dobře vymyšleném softwaru. Bez něj by byl robot NXT jen kouskem plastu nebo chcete-li modelovou skládačkou vystavenou ve výkladní skříni. K tomu, aby robot oţil, potřebujeme dvě základní věci. První je operační systém, kterým je v tomto případě firmware. Druhou podmínkou je nějaký systém ukládání dat, abychom do robota mohli vkládat různé programy. K tomuto účelu nám poslouţí NXT file system. No a třetí, uţ ne tak důleţitou věcí, jsou různé administrativní nástroje. Základním nástrojem u standardního NXT LEGO firmwaru je nástroj „Try Me“, který nám umoţní vyzkoušení připojených senzorů a motorů. Dalším nástrojem je vyuţívání nějakého programovacího softwaru, který nám umoţní vytvářet vlastní ovládací programy. 1.2.1

Firmware

Řídící jednotka v sobě obsahuje ovládací program, který se nazývá firmware. Můţeme říct, ţe je to jakýsi operační systém robota. Je uloţený v paměti typu flash, která se po vypnutí jednotky ani po vytaţení baterií nesmaţe. Firmware je dodáván uţ přímo od výroby. Podléhá ovšem neustálému vývoji a tak je moţné si jej stáhnout z webových stránek výrobce a nahrát do řídící jednotky. Přehrávání firmwaru můţeme provádět opakovaně aţ na hranici, kterou vydrţí paměť. U flash paměti se počet přehrání uvádí kolem 70000, poté uţ je paměť nepouţitelná a je nutné ji vyměnit přepájením. K dispozici jsou i firmwary třetích stran, které se dají uplatnit při vývoji sloţitějších aplikací. Tyto firmwary mají většinou jednu velkou výhodu, kterou je jejich velikost zabírající v paměti řídící jednotky. Zpravidla jsou tyto firmwary podstatně menší, neţ originální firmware, čímţ vývojáři nabízí moţnost vyuţití větší paměti pro své aplikace. Pokud dojde k chybě při přeflashování firmwaru, disponuje řídící jednotka nouzovým reţimem, který se spustí podrţením tlačítka ze spod jednotky po dobu 5 vteřin. Tlačítko je schováno v útrobě první upevňovací díry hned pod USB konektorem.


25

Obrázek 28: Tlačítko pro obnovu firmware Při správně provedené operaci se řídící jednotka připraví na nahrání originálního firmware pomocí softwaru LEGO MINDSTORMS NXT. Skutečnost, ţe je jednotka připojena k PC poznáme podle správce zařízení ve svém operačním systému.

Obrázek 29: Nouzový reţim pro opětovné nahrání FW


26

1.2.1.1 Standardní LEGO NXT firmware Tento druh firmwaru je dodávaný přímo se stavebnicí LEGO MINDSTORMS. Uţivateli nabízí přehledné grafické zobrazení základních funkcí firmwaru s intuitivním ovládáním, které je podobné běţným mobilním telefonům.

Obrázek 30: Popis řídící jednotky Aktuální verze je k dispozici na stránkách http://mindstorms.lego.com a v současné době je to verze 1.05 vydaná v září 2007.

Obrázek 31: Hlavní ikony přístupového menu  Settings – V této poloţce je moţno měnit hlasitost vestavěného reproduktoru, nastavovat vypínání jednotky při nečinnosti a mazat soubory. Ve většině případů práce s jednotkou tuto poloţku nevyuţijeme.  Try Me – Obsahuje sérií jednoduchých programů, které poslouţí při otestování kaţdého senzoru. Velmi dobře poslouţí také při zjišťování stavu senzoru v dané situaci.  My Files – Zde je moţné nahlédnout k uloţeným programům a ostatním souborům jako jsou zvuky apd.  NXT Program – Pod touto poloţkou nalezneme jednoduchý nástroj pro vytváření programů pomocí příkazových bloků. Takţe nemusíme ani vyuţívat externí programovací software.


27

 View – Umoţní náhled na hodnoty, které senzor vrací řídící jednotce. Velmi uţitečný nástroj při programování vlastních aplikací. Pomocí něj lze zjistit například o kolik stupňů se musí otočit kolo, aby došlo k otočení robota o 180°C nebo jakou intenzitu vrací která barva.  Bluetooth – Je to nástroj pro nastavení bluetooth. Tedy slouţí k zapnutí bluetooth, vyhledání okolních zařízení a připojení k nim. 1.2.1.2 RobotC firmware Tento firmware nabízí skupina vývojářů, která se nazývá RobotC. Instalaci firmware můţeme provést aţ po nainstalování vývojového prostředí. Firmware je součásti vývojového prostředí, jedinou podmínkou k instalaci je update ovladačů jednotky NXT pro USB port. Na první pohled nezaznamenáme ţádný větší rozdíl. Rozšiřuje nastavení bluetooth zařízení a přidává animaci ikon menu.

Obrázek 32: Logo RobotC 1.2.1.3 LeJOS LeJOS je další alternativní firmware, který je distribuován spolu s celým vývojovým balíčkem. Je to opět upravený firmware tentokrát pro psaní aplikací pomocí javy. K nahrání tohoto firmware je nutná instalace Java SE Development Kit a knihoven pro USB komunikaci.

Obrázek 33: Logo leJOS


28

1.2.1.4 NBC/NXC firmware Jedná se o firmware k vývojovému prostředí BricxCC. Ve firmware nejsou nainstalované ţádné zvuky a není ani funkční poloţka Try Me. Jeho předností je vyuţívání více rozměrných polí, nativní posun motorů a čekací operace.

Obrázek 34: Logo NBC/NXC firmware 1.2.1.5 Ostatní firmware Kdybychom měli probírat všechny moţné dostupné firmwary pro řídící jednotku NXT, vydalo by to ještě minimálně na jednu práci. Proto jen zmíním ostatní existující, které jsou dostupné na uvedených webech: NXTGCC: http://nxtgcc.sf.net/ pbLUA: http://www.hempeldesigngroup.com/lego/pbLua/ TinyOS: http://nxtmote.sf.net/

1.2.2

Souborový systém NXT

Flash paměť jednotky NXT vyuţívá základní souborový systém, který se označuje TOC (Table Of Contents). Vyuţívá se pro ukládání stálých dat, jako jsou programy a datové soubory. Umoţňuje spravovat 63 poloţek v paměti. Přístup k paměti je umoţněn buď pomocí menu, a nebo pomocí utility obsaţené v programu LEGO MINDSTORMS NXT.

Obrázek 35: Utilita pro správu paměti jednotky NXT


2

29

MOŽNOSTI PROGRAMOVACÍHO JAZYKA A KOMUNIKACE

V této kapitole probereme nejpouţívanější vývojové prostředí pro tvoření programů ovládajících řídící jednotku a tím nám umoţní, aby nás robot poslouchal a dělal, co po něm poţadujeme. Trochu zabrouzdáme i do způsobu a technologie komunikace s robotem.

2.1 Vývojové prostředí Protoţe společnost Lego uvolnila zdrojový kód, vytvořilo se spoustu OpenSource projektů a komunit, které se zabývají vývojem robotiky, a nebo alespoň moţnostmi programování jednotek NXT. 2.1.1

NXT Program

Jedná se o jednoduché vytvoření programu přímo pomocí menu originálního firmwaru. Programování je zaloţeno na definování akce 5 boxů.

Obrázek 36: Definování programovatelných boxů Funkce boxů jsou rozděleny na výstupní, vstupní, výstupní, vstupní a následující akci. Ve výstupní akci definujeme činnost motorů, anebo vestavěného reproduktoru. Vstupní akce pak čeká na návratovou hodnotu některého ze senzorů. Tyto dva úkony můţeme zopakovat ještě jednou a pak nastavujeme, zda se má celý proces opakovat, a nebo se má ukončit program.


30

Tabulka 2: Příkazy pro programovatelné boxy

Obrázek 37: Příklad vytvořeného programu Na Obrázek 37 můţeme vidět příklad programu, který vykonává následující funkci: Robot jede vpřed, dokud senzor zaznamenává světlou podloţku. Pak se zastaví a začne couvat po dobu 2 sekund. Poslední příkaz spustí celý proces znovu. 2.1.2

Lego mindstorms NXT: NXT-G

Jedná se o programovací aplikaci dodávanou spolu se stavebnicí. Vývoj této aplikace zajišťuje LEGO Group. Někdy se taky nazývá NXT-G, podle pouţitého jazyka „G“.

Obrázek 38: Okno aplikace LEGO MINDSTORMS NXT


31

Aplikace k tvorbě programu vyuţívá grafických ikon, bloků, které mají svůj funkční význam. Je vhodná spíše pro začátečníky, kteří se teprve seznamují s moţnostmi a principy programování. Aplikace je postavena na profesionálním vývojovém nástroji LabVIEW™ (od společnosti National Instruments), který je vyuţíván pro vývoj elektroniky, jako jsou mobilní telefony, iPody a podobné zařízení. Systémové poţadavky: Windows -

Procesor Intel Pentium nebo jiný kompatibilní, min 800 Mhz

-

Windows XP, Home Edition obsahující Servis Pack 2 nebo Vista

-

Minimálně 256 MB RAM

-

300 MB volného místa na HDD

-

XGA displej s rozlišením 1024x768

-

1 USB port

-

CD-ROM

-

Kompatibilní Bluetooth adaptér (volitelný)

Macintosh -

PowerPC G3, G4, G5, minimálně 600 MHz

-

Apple Mac05 X v.10.3.9 nebo 10.4

-

Minimálně 256MB RAM

-

300 MB volného místa na HDD

-

XGA displej s rozlišením 1024x768

-

1 USB port

-

CD-ROM

-

Kompatibilní Bluetooth adaptér (volitelný)

2.1.2.1 Popis aplikace Jako téměř kaţdá aplikace, i LEGO MINDSTORMS NXT pouţívá k usnadnění práce panel nástrojů. V tomto případě je panel velmi jednoduchý.

Obrázek 39: Panel nástrojů LEGO Software Nabízí základní operace pro práci s projektem, jako je jeho vytvoření, otevření jiţ existujícího projektu a uloţení. Další nástroje slouţí k práci se schránkou, jako je vyjímání, kopírování a vkládání. Poslední čtyři nástroje uţ slouţí k vlastní práci v projektu. Jedná se


32

o výběrový nástroj, nástroj posuvu plátna, komentář a nástroj pro vytváření vlastních funkčních bloků. Jako poslední, co můţeme na panelu vidět, je výběr uţivatelského profilu, který v sobě uchovává názvy projektů, se kterými daný uţivatel pracuje či pracoval. Podél levého okraje okna aplikace se nachází nástrojová paleta, která je rozdělena do tří záloţek.

Obrázek 40: Palety nástrojů LEGO softwaru První záloţka je příkazová a obsahuje pouze základní příkazové operace. Druhá záloţka poskytuje kompletní nabídku všech potřebných bloků k programování. Základním prvkem úspěšného programování jsou příkazy pro řízení běhu programu, které nám nahrazují cykly „for“, „while“, „until“, podmínku „if“ a výběr „switch“ známé z jiných programovacích jazyků.


33

Pro kompilaci a spouštění vytvořených programů slouţí nenápadný ovládací prvek v pravém dolním rohu. Pomocí něj můţeme nahlédnout na stav řídící jednotky robota a nahrávat do jednotky a spouštět vytvořené programy.

Obrázek 41: Ovládací prvek programu 2.1.2.2 Základní funkční bloky Základem vytvoření nějakého programu je nutné se seznámit s funkčními bloky, které aplikace nabízí svému uţivateli. Pohyb motorů: Tento druh operace ovládá blok s příznačnou ikonou převodu. Najdeme jej v příkazové paletě. Při označení bloku se nám ve spodní části okna otevře nabídka nastavení funkce bloku v programu. Umoţní nám výběr patřičného portu nebo skupiny portů, které bude blok ovládat. Dále zde nastavujeme směr pohybu a pokud pracuje se dvěma porty, můţeme pomocí posuvníku ovládát zatačení robota. Mezi důleţitější nastavení patří síla motoru a druh operace, kterou bude motor vykonávat. Můţeme zde nastavit otočení o počet otáček nebo stupňů, případně se můţe motor otáčet neomezeně nebo v závislosti na čase. V případě omezeného otáčení lze nastavit následující akci a to buď zabrţdění motoru nebo volnoběţné otáčky.

Obrázek 42: Funkční blok ovládání motoru


34

Opakovací smyčka: Nedílnou součástí kaţdého programu je nějaký druh smyčky. Tato aplikace nabízí sice jen jednu smyčku, ale za to širokou škálu moţností jejího vyuţívání. Tato smyčka můţe pracovat do nekonečna nebo se můţe řídít událostí na senzoru, vykonáním určitého počtu cyklů, vypršením času nebo logickou hodnotou.

Obrázek 43: Funkční blok opakovací smyčky Podmínka: Pokud se při programování neobejdeme bez smyčky, tak bez rozhodovací podmínky uţ vůbec ne. Zde nám vývojáři nabídli tzv. „switch block“, který po pravdivém vyhodnocení podmínky provede nějakou část programu a při nepravdivé podmínce zase jinou část programu. Podmínka můţe být realizována hodnotou, a nebo senzorem.

Obrázek 44: Funkční blok podmínka Čekání na událost: Další mocný nástroj pro programování robota NXT. Dokáţe zastavit chod programu dokud nenastane nějaká událost na čidlech nebo dokud nevyprší časový limit. Opět nabízí sérií nastavení pro kaţdý senzor.

Obrázek 45: Funkční blog čekání na událost


35

2.1.2.3 První program pro robota NXT Kdyţ uţ jsme seznámení s uţivatelským rozhraním programovací aplikace pro NXT robota od skupiny vývojářů LEGO Group, můţeme se pustit do vytváření prvního funkčního programu. K tomu nám postačí 5 bloků. Náhled programu můţeme vidět na Obrázek 46.

Obrázek 46: Jednoduchý program pro NXT První blok způsobí čekání na událost z tlakového senzoru. Dokut nestiskneme tlakový senzor, nic se neděje a robot stojí. Po stisku senzoru se program dostane do smyčky, ve které se kontrolují údaje z ultrazvukového senzoru a pokud je vzdálenost od překáţky větší, neţ nastavená hodnota (40 cm) uvedou se do pohybu motory připojené na portu A a B a robot směřuje vpřed. Pokud je ale překáţka blíţ, začne se robot otáčet takovým způsobem, ţe motor na portu A jede vpřed a motor na portu B couvá. Aţ se otočí do vzdálenosti větší 40 cm od překáţky, bude opět pokračovat v jízdě vpřed, dokud zvukové čidlo nezaznamená větší hladinu neţ 90dB. Takţe pokud zatleskáme nebo pískneme na robota, ukončí se program a robot se zastaví. 2.1.3

Bricx Command Center

NXT robota lze krom dodávaného grafického programu LEGO Mindstorms NXT programovat i pomoci vyššího programovacího jazyka, který je podobný C.


36

2.1.3.1 Popis programu BricxCC Bricx Command Center (BricxCC) je plnohodnotný program, který zvládne naprogramovat LEGO Mindstorms NXT pouţitím jazyka Not eXactly C (NXC), dále pak pomocí Byte Codes (NBC) – assemblerovsky orientovaný programovací nástroj a i jednoduchým programovacím jazykem NPG. Jako první při spuštění programu na uţivatele vybafne nastavení pro připojení k řídící jednotce. Nabízí moţnost připojení přes USB kabel, COM port nebo Bluetooth. Pokud se nechceme připojit, stačí formulář stornovat.

Obrázek 47: Formulář pro připojení BricxCC k jednotce NXT

Obrázek 48: Okno aplikace BricxCC


37

Vizáţ aplikace je podobná jiným známým vývojovým prostředí. Nabízí širou nástrojovou paletu. Nejpouţívanější jsou nástroje pro kompilaci a spuštění programu.

Obrázek 49: Nástroje pro kompilaci programu v BricxCC V levé části okna aplikace můţeme vidět prohlíţeč projektem a prohlíţeč funkcí.

Obrázek 50: Prohlíţeč projektu a funkcí 2.1.3.2 Syntaxe programu Ovládání motorů: Spuštění a zastavení motorů: OnFwd(OUT_A, 50); // Otáčí motorem A na 50% po směru hodinových ručiček


38

OnFwd(OUT_B, 50); // Otáčí motorem B na 50% po směru hodinových ručiček OnFwd(OUT_AB, 100); // Otáčí motory B a C naplno po směru hodinových ručiček OnRev(OUT_C, 30); // Zpětně otáčí motorem C na 60 lze také použít OnFwd(OUT_C, -30) Off(OUT_ABC); //zastaví všechny motory Pokud chceme použít synchronizované otáčení motorů, použijeme následující příkaz: OnFwdReg(OUT_AB, 50, 1); // Otáčí synchronizovaně motory A a B na 50% rychlosti Pokud potřebujeme použít rotaci o nějaký stupeň otočení, pak máme následující příkaz: RotateMotor(OUT_B, 25, 60); // Otočí motorem B 25% rychlostí o 60°) Tlakový senzor: SetSensorTouch(IN_1); // nastaví port 1 jako tlakové čidlo tast = Sensor(IN_1); // čte hodnotu senzoru - 0 rozepnuto, 1 sepnuto Zvukový senzor: SetSensorSound(IN_2); //nastaví na port 2 zvukový senzor sound = Sensor(IN_2); // čte hodnotu hlasitosti na portu 2, vrací 0 - 100 Světelný senzor: SetSensorLight(IN_3); // nastaví na port 3 světelný senzor light = Sensor(IN_3); // čte intenzitu světla na portu 3, vrací 0 - 100 Ultrazvukový snímač: SetSensorLowspeed(IN_4); // nastaví na portu 4 ultrazvukový senzor ultra = SensorUS(IN_4); // čte hodnotu sonaru na portu 4, vrací vzdálenost v palcích

Displej: Rozlišení displeje je 100*64. Umístnění textu je v souřadnicích x (zleva) a y (zespodu). Pro vertikální souřadnici lze rovněţ LCD_LINE1, LCD_LINE2, ... Kromě toho existuje příkaz "true" a nebo "false". True znamená, ţe vţdy je celý výstup smazán a nově zobrazen. False znamená, ţe budou změněna pouze aktualizovaná místa. TextOut(0,50,"Ahoj"); // Zobrazí na daných souřadnicích text Ahoj TextOut(30,LCD_LINE4,"Ahoj"); // Zobrazí na souř. x=30 na 4.řádku text Ahoj Řízení běhu programu: while(„podminka“) {} //Dělej dokud je splněna podmínka do {} while(“podminka”); repeat(“pocet opakovani”) {} //Opakuje akci daný počet krát


39

Wait(“hodnota”) ; //Uspí program na danou dobu – 1000 = 1 sekunda until(“podminka”); // Čeká, dokud není splněná podmínka if (“podminka”) {“neco”} else {“jineho”} //Pokud je splněná podmínka, udělej „neco“, jinak udělej „jineho“ 2.1.3.3 Jednoduchý program pomocí BricxCC

Jedná se o funkčně i principielně stejný program jako v kapitole 2.1.2.3. Program inicializuje tlakový senzor na portu 1 a pak čeká na stisknutí. Po stisku se spustí cyklus „do,while“, ve kterém se pomocí podmínky „if“ ptáme na vzdálenost od překáţky. Pokud je překáţka vzdálenější neţ 40cm, tak spustí motory na portu A a B. Pokud podmínka není splněna, začne se robot otáčet. Ukončení programu je stejně jako v předchozím případě provedeno nasloucháním na zvukovém senzoru. Pokud je hlasitost větší nastavená mez, podmínka ve funkci „while“ není splněna a program se ukončí. Z Obrázek 51 je patrná výhoda programování v tomto vývojovém prosředí. Program vytvořený pomocí LEGO softwaru má velikost 10,1 KB a program vytvořený pomocí BricxCC má velikost pouhých 1,1 KB, přičemţ funkční hodnota programu nebyla nikterak ovlivněna.


Obrázek 51: Srovnání velikosti téhoţ programu vytvořeného v NXT-G 2.1.4

RobotC

2.1.4.1 Popis aplikace Jedná se o placené vývojové prostředí, které ke spouštění programu potřebuje i speciální firmware dodávaný spolu s aplikací. RobotC je velmi jednoduchá aplikace, která spojuje typické znaky programování v jazyce C s funkcemi pro činnost robota. K dispozici jsem měl jen 30 denní trial verzi s určitým omezením některých funkcí.

Obrázek 52: Dialogové okno About RobotC

40


Obrázek 53: Okno aplikace RobotC 2.1.4.2 Syntaxe příkazů Programování v této aplikaci je téměř shodné s programováním v BricxCC. Rozdíl je jen v názvech a způsobu práce s příkazy pro robota. Senzory: SensorType[S1] = sensorTouch; // Nastavení portu pro daný senzor SensorValue[S1] //Vrátí hodnotu senzoru na daném portu Motory: motor[motorA] = 50; // Motor na portu A pojede vpřed na 50% motor[motorB] = -50; // Motor na portu B pojede vzad na 50% 2.1.4.3 Jednoduchý program v RobotC

41


42

Program má stejnou funkční hodnotu jako v předchozích dvou kapitolách věnovaným jednoduchému programu (2.1.2.3, 2.1.3.3). Robot po stisknutí tlakového čidla pojede vpřed a po zjištění překáţky ve vzdálenosti 40 cm od robota provede otočení. Na hlasitý povel se program zastaví. Program má v paměti řídící jednotky velikost 0,3 KB, tedy ještě menší neţ v předchozím případě při pouţití BricxCC. 2.1.5

LeJOS

Jedná se o multiplatformní projekt (Windows, Mac, Linux) sloţený z knihovny a firmwaru pro řídící jednotku. Z originálním FW je knihovna nefunkční. Cílem projektu bylo vytvořit vývojové prostředí s vyuţitím jazyka JAVA. LeJOS sám o sobě není ţádné vývojové prostředí a tudíţ je nutné vyuţít některé ze standardních aplikací pro vývoj JAVA aplikací jako je Eclipse (pro něj existují přednastavené paginy pro jazyk JAVA) nebo i jiţ zmíněný BricxCC. Pro tyto zmíněné existují přednastavené pluginy, pro snadnou tvorbu projektů. 2.1.6

NXT#

Samo o sobě to není vývojové prostředí jako takové. Jedná se o knihovny pro vývojové prostředí určené pro jazyk C#. Výsledkem je Windows aplikace, která pomocí bluetooth ovládá robota. 2.1.6.1 SharpDevelop 2.2 Jedná se o otevřený projekt zkušených programátorů, jehoţ vývoj započal v roce 2000. Záměrem autorů bylo vytvořit otevřené a nezávislé integrované vývojové prostředí pro jazyk C#. SharpDevelop 2.0 pracuje s jazykovou specifikací C# 2.0, takţe z tohoto hlediska vývojáři určitě strádat nebudou. Jako jediný produkt k nám SharpDevelop dovede


43

promlouvat v mateřské řeči – čeština je jedním z dvaceti jazykových balíčků, s nimiţ program kooperuje. V praxi to znamená, ţe nabídky, dialogová okna a zprávy vývojového prostředí jsou před vás předkládány v přirozeně srozumitelné podobě.

Obrázek 54: Okno aplikace SharpDevelop 2.2 Jádrem vývojového prostředí je vizuální návrhář s kolekcí ovládacích prvků, správce projektů, okno s vlastnostmi a samozřejmě editor zdrojového kódu. [16] 2.1.6.2 Borland Turbo C# 2006 Explorer

Obrázek 55: Okno aplikace Borland Turbo C# 2006


44

Je přímým konkurentem expresního Visual C# 2005 od Microsoftu. Vedle „povinných“ aplikací (formulářová aplikace pro Windows, konzolová aplikace a knihovna tříd) jsou zastoupeny rovněţ webové aplikace a sluţby (ASP.NET 1.1) či knihovny standardních a webových ovládacích prvků. Novinkou je dvojice šablon vyuţívajících sluţeb ECO (Enterprise Core Objects) prostředí, které zavádí účinné mechanizmy pro psaní objektově orientovaných aplikací pracujících s relačními databázovými zdroji. [16] 2.1.6.3 Microsoft Visual C# 2005 Express Jedná se o odlehčenou verzi „velkého“ Visual C# 2005. Přichází s nejnovější implementací jazyka C#. Etapa vizuálního programování je sviţná a intuitivní, na čemţ má největší zásluhu skvěle vyvedený návrhář s bohatou porcí ovládacích prvků a komponent.

Obrázek 56: Okno aplikace Microsoft Visual C# Express Editoru zdrojového kódu vévodí proslulá technologie IntelliSense, jejíţ reinkarnace ve Visual C# 2005 Express je citlivější a přesvědčivější neţ kdykoliv předtím. Vývojář se tudíţ nemusí nijak zvlášť namáhat, neboť jeho kroky jsou pod bedlivým dohledem IntelliSense. V praxi to znamená, ţe se před vámi na kaţdém kroku rozprostírají nabídky s datovými členy, vlastnostmi a metodami, které je moţné v daném okamţiku pouţít. Instrukce a příkazy zdrojového kódu jsou poznačeny barevnými filtry, které zvyšují jejich čitelnost. [16]


45

2.1.6.4 Syntaxe příkazů Pomocí funkce „Add Reference“ z hlavního menu vloţíme do aplikace knihovny, které obsahují moduly pro práci s řídící jednotkou NXT. Jde o soubory Bram.Lego.dll, Bram.Utilities.dll, Bram.NxtSharp.dll. Pomocí nabídky pro nástrojovou lištu si vytvoříme nové sloţky pro importování modulů knihoven. Následně uţ jen pracujeme s moduly, vytváříme události a obsluţné rutiny pro dané události. [16]


46

2.2 Možnosti komunikace 2.2.1

Komunikace pomocí kabelu

První způsob komunikace je pomocí klasického USB kabelu typu A-B. Tento způsob umoţňuje komunikaci rychlostí aţ 12Mbit/s. Vyuţití kabelu je vhodné především pro statické modely robotů nebo pro nahrávání programů či přehrávání firmwaru.

Obrázek 57: USB kabel pro připojení NXT 2.2.2

Komunikace pomoci bluetooth

Druhým způsobem komunikace s jednotkou je pomocí vestavěné technologie bluetooth. Tahle moţnost se dá dobře uplatnit při sestavování programu pro vzdálené ovládání robota nebo při řízení pohybujícího se robota programem spuštěným v PC. V těchto případech je nutné poznamenat, ţe při komunikaci pomocí bluetooth dochází k lagování. Doba reakce robota na příkaz je závislá na vzdálenosti jednotky od vysílacího zařízení, minimálně však cca 30 ms. Aby bylo moţné navázat s řídící jednotkou kontakt, je nutné pouţití bluetooth ovladačů třetích stran (např.: IVT Corporation BlueSoleil). Ovladače, které poskytuje firma Microsoft v operačním systému Windows XP nejsou schopny navázat kontakt s jednotkou. Dalším rozhodujícím faktorem pro úspěšnou komunikaci je výběr vhodného BT zařízení.

Obrázek 58: Vhodný USB dongle


Druh zařízení

47

Kompatibilita

Abe UB22S Belkin F8T003 ver. 2 (short range) BlueFRITZ! AVM BT adapter, BlueFRITZ! USB v2.0 Cables Unlimited USB-1520 Dell TrueMobile Bluetooth Module Dell Wireless 350 Bluetooth Internal Card Dlink DBT-120 MSI Btoes MSI StartKey 3X-faster TDK GoBlue Qtrek, Bluetooth USB Adapter v2.0 - kompatibilní zařízení

- nekompatibilní zařízení

Tabulka 3: Seznam kompatibibilních USB zařízení Jednotky je moţné párovat nejen s počítačem, ale i mezi sebou. Naskytuje se tak moţnost komunikovat aţ se 3 jednotkami současně. Samozřejmě, ţe absolutně současná komunikace není moţná, takţe se při komunikaci vyuţívá časového multiplexu.

Obrázek 59: Komunikace mezi jednotkami LEGO MINDSTORM vyuţívá bezdrátové komunikace formou zasílání a přijímání Bluetooth paketů striktně dané struktury, pouţitím profilu sériového portu. Komunikace s NXT jednotkou je moţná buďto pomocí LEGO MINDSTORM komunikačního protokolu (zasíláním a čtením zpráv v mailboxech), nebo pomocí syrových dat ve formě Bluetooth paketů.


48

2.2.2.1 Komunikační vrstvy Na obrázku vidíme základní komunikační vrstvy softwaru v PC a Bluetooth zařízení v jednotce.

Obrázek 60: Komunikační vrstvy PC a NXT 2.2.2.2 Struktura paketů

Tabulka 4: Struktura Bluetooth paketu První dva bajty (Byte 0, Byte 1) struktury jsou informativní, určují délku posílané zprávy a pro pochopení obecného principu je není třeba dále rozebírat. Byte 3 – Typ příkazu (Command type) Určuje typ posílaného příkazu a vyskytuje se v těchto podobách hexadecimálního formátu: 0x00 – Přímý příkaz, vyţaduje odpověď 0x01 – Systémový příkaz, vyţaduje odpověď 0x02 – Odpověď 0x80 – Přímý příkaz, nevyţaduje odpověď 0x81 – Systémový příkaz, nevyţaduje odpověď Byte 4 – Příkazový bajt (Command byte) Určuje co by se mělo vykonat s následujícími daty (otevřít, číst, zapsat, smazat …).

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 Byte 5-N – Dodatečné informace Například jméno souboru, určení portu, určení výkonu motoru apod. Příklad: Pokud bychom chtěli nastavit jméno řídící jednotky, poslali by jsme po otevřeném komunikačním kanále příkaz sloţený z následujících bytů:  Byte 0: 0x01  Byte: 0x98  Byte 2-17: Nové jméno, maximálně 15 znaků Následně obdrţíme odpověď:  Byte 0: 0x02  Byte 1: 0x98  Byte Status: 0 znamená úspěch, větší jak 0 neúspěch

49


II. PRAKTICKÁ ČÁST

50


3

51

OVLÁDÁNÍ ROBOTA NXT POMOCÍ PC

K vytvoření ovládání robota byl pouţit vyšší programovací jazyk C#. Komunikace a robotem je realizována pomocí technologie bluetooth.

3.1 Popis programu Po spuštění aplikace uvidíme před sebou jednoduchý ovládací prográmek, kterým můţeme ovládat všechny funkce robota pomocí bezdrátové komunikace mezi PC a robotem. Abychom mohli ovládat robota, je nutné nejdříve navázat spojení mezi PC a řídící jednotkou pomocí dodávaných ovladačů a softwaru k Bluetooth dongle. Komunikace se vytvoří na nějakém sériovém portu. Číslo portu zjistíme rovněţ v softwaru pro BT. Následně tento port vybere v nabídce programu, vybereme taky pořadí motorů připojených na dané porty řídící jednotky v pořadí levý, pravý, funkční a stiskneme tlačítko připojit. Pokud připojení proběhlo v pořádku, aktivují se tlačítka a senzory budou ukazovat aktuální hodnoty. Pokud se připojení nezdaří, vyskočí dialog s chybou.

Obrázek 61: Okno programu Ovladač NXT - Tribot Vlastní ovládaní je moţné dvěma způsoby. První způsob je pomocí myši najetím na příslušné tlačítko směru a stisknutím. Tím se robot rozjede a zastaví jej aţ stisk tlačítka stop. Opětovným stiskem tlačítka směru dojde ke zvětšení rychlosti motorů. Druhý způsob je pomocí kláves, kde klávesa „i“ přestavuje jízdu vpřed, „k“ jízdu vzad, „j“ jízdu doleva a


52

„l“ jízdu doprava. Puštěním klávesy jízdy dopředu nebo dozadu dojde k zastavení pohybu. Je to tedy stejné ovládání jako známe z počítačových her. Rychlost motorů můţeme ovlivnit klávesami „s“ a „x“.

3.2 Použité vývojové prostředí a syntaxe K vývoji programu bylo pouţito Visual Sudio 2008 a v něm obsaţený Visual C# Express 2005. Díky IntelliSense je práce s programem velmi přívětivá a programátor se nemusí bát syntaktických chyb v podobě překlepů. Základem práce s programem pro NXT je nutnost importování knihoven Bram.NxtSharp.dll a Bram.Utilities.dll pomocí menu Project -> Add Reference… -> browse. Poté si v nástrojové liště vytvoříme novou záloţku, například NXT#, do které pomocí výběrového menu po stisku pravého tlačítka myši Choose Items… naimportujeme jednotlivé objekty z knihovny Bram.NxtSharp.dll.

Obrázek 62: Objekty knihovny Bram.NxtSharp.dll Pomocí těchto objektů provádíme veškeré programování přetaţením objektu na plochu návrhu. Následně si objekty patřičně pojmenujeme.

Obrázek 63: Objekty pouţité z knihovny Nyní je nutné nastavit objekty tak, aby byly ve vzájemné vazbě. Tedy jednotlivé objekty představující vstupní a výstupní zařízení zapouzdřit k náleţité řídící jednotce, v tomto

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 případě nxtBrickSharp. To provedeme výběrem objektu nxtBrickSharp a v pravém okně vlastností přiřadíme periferie k jednotce.

Obrázek 64: Sloučení periferií s jednotkou V této fázi zbývá nastavit události na objektech, které nám budou ovlivňovat funkce programu. Hlavní okno nám zachytává události stavu kláves s to bud stisknutí klávesy (událost KlavesoveOvladani) nebo puštění klávesy (událost StopPohybu). private void KlavesoveOvladani(object sender, KeyPressEventArgs e){ label5.Text = e.KeyChar.ToString(); klavesa = e.KeyChar.ToString(); if (nxtBrickSharp.IsConnected){ switch (klavesa.ToString()){ case "s": if (rychlostA < 100){ rychlostA = rychlostA + 25; rychlostB = rychlostA; } if (jizda){ if (smerjizdy){ nxtMotorA.Turn(rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(rychlostB, 0); } else { nxtMotorA.Turn(-rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(-rychlostB, 0); } } SilaMotoru.Text = rychlostA.ToString() + " %"; break; case "x": if (rychlostA > 0){ rychlostA = rychlostA - 25; rychlostB = rychlostA; } if (jizda){ if (smerjizdy){

53


54

nxtMotorA.Turn(rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(rychlostB, 0); } else{ nxtMotorA.Turn(-rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(-rychlostB, 0); } } SilaMotoru.Text = rychlostA.ToString() + " %"; break; case "i": if (rychlostA == 0 || rychlostB == 0){ rychlostA = 50; rychlostB = 50; SilaMotoru.Text = rychlostA.ToString()+ " %"; } nxtMotorA.Turn(rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(rychlostB, 0); smerjizdy = true; jizda = true; break; case "k": if (rychlostA == 0 || rychlostB == 0){ rychlostA = 50; rychlostB = 50; SilaMotoru.Text = rychlostA.ToString()+ " %"; } nxtMotorA.Turn(-rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(-rychlostB, 0); smerjizdy = false; jizda = true; break; case "j": nxtMotorA.Coast(); break; case "l": nxtMotorB.Coast(); break; }}} private void StopPohybu(object sender, KeyEventArgs e){ klavesa = e.KeyValue.ToString(); label5.Text = klavesa.ToString(); if (nxtBrickSharp.IsConnected) { if (klavesa.ToString()=="73" || klavesa.ToString()=="75"){ nxtMotorA.Brake(); nxtMotorB.Brake(); jizda = false; } if (klavesa.ToString()=="74" || klavesa.ToString()=="76"){ if (smerjizdy) { if (jizda){ nxtMotorA.Turn(rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(rychlostB, 0); } } else { if (jizda) { nxtMotorA.Turn(-rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(-rychlostB, 0);

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 }}}}}

Ovládání myší je umoţněno pomocí události vzniklé na tlačítku. Tak je tomu u kaţdého tlačítka pohybu VpredClick,VzadClick, VlevoClick, VpravoClick, StopClick a OtevriClick. private void VpredClick(object sender, EventArgs e) { if (rychlostA > rychlostB) { rychlostB = rychlostA; } else if (rychlostB > rychlostA){ rychlostA = rychlostB; } else if ((rychlostA < 100) && (rychlostB < 100)){ rychlostA = rychlostA + 25; rychlostB = rychlostB + 25; } nxtMotorA.Turn(rychlostA, 0); nxtMotorB.Turn(rychlostB, 0); }

Události senzorů nám umoţní načítání aktualizaci jejich stavu. private void ZmenaSvetla(Bram.NxtSharp.NxtSensor sensor) { Invoke((MethodInvoker)delegate() { ZobrazSvetlo.Value = (int)Bram.Utilities.Util.Clamp(nxtSvetelnySenzor.Value, 0, 100); }); }

Připojení a odpojení jednotky pomocí Bluetooth: private void PripojitClick(object sender, EventArgs e){ Pripojit.Enabled = false; if (prihlasen == false){ serialPort1.PortName = JmenoCOMPortu.Text.ToString(); nxtBrickSharp.COMPortName = JmenoCOMPortu.Text.ToString(); NastaveniMotoru.Enabled = false; JmenoCOMPortu.Enabled = false; switch (NastaveniMotoru.Text) { case "A B C": label5.Text = nxtMotorA.Port.ToString(); nxtBrickSharp.AttachMotor(Bram.NxtSharp.NxtMotorPort.PortA, nxtMotorA); nxtBrickSharp.AttachMotor(Bram.NxtSharp.NxtMotorPort.PortB, nxtMotorB); nxtBrickSharp.AttachMotor(Bram.NxtSharp.NxtMotorPort.PortC, nxtMotorC); break; case "A C B":

55


56

nxtBrickSharp.AttachMotor(Bram.NxtSharp.NxtMotorPort.PortA, nxtMotorA); nxtBrickSharp.AttachMotor(Bram.NxtSharp.NxtMotorPort.PortC, nxtMotorB); nxtBrickSharp.AttachMotor(Bram.NxtSharp.NxtMotorPort.PortB, nxtMotorC); break; } try { serialPort1.Open(); } catch (Exception) { MessageBox.Show("Port neexistuje nebo není dostupný!!", "Chyba spojeni!", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Asterisk, MessageBoxDefaultButton.Button1); return; } if (!serialPort1.CtsHolding){ MessageBox.Show("Port neexistuje nebo není dostupný!!", "Chyba spojeni!", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Asterisk, MessageBoxDefaultButton.Button1); serialPort1.Close();Pripojit.Enabled = true; NastaveniMotoru.Enabled = true;JmenoCOMPortu.Enabled = true; } else { serialPort1.Close(); serialPort1.Dispose(); nxtBrickSharp.Connect(); Pripojit.Enabled = true; } if ( nxtBrickSharp.IsConnected){ nxtBrickSharp.StartPolling(); Vzad.Enabled = true;Vlevo.Enabled = true; Vpravo.Enabled = true;Vpred.Enabled = true; Stop.Enabled = true;OtevriKlepeta.Enabled = true; Pripojit.Text = "Odpojit"; prihlasen = true; SilaBaterie = (double)nxtBrickSharp.Comm.GetBatteryLevel()/1000; Baterie.Text = SilaBaterie.ToString() + " V"; SilaMotoru.Text = rychlostA.ToString()+" %"; }} else if (prihlasen == true) { if (nxtBrickSharp.IsConnected) { nxtBrickSharp.Disconnect(); nxtBrickSharp.StopPolling(); Pripojit.Text = "Připojit"; prihlasen = false;Vzad.Enabled = false; Vlevo.Enabled = false;Vpravo.Enabled = false; Vpred.Enabled = false;Stop.Enabled = false; OtevriKlepeta.Enabled = false;NastaveniMotoru.Enabled = true; JmenoCOMPortu.Enabled = true; ZobrazSvetlo.Value=0;ZobrazZvuk.Value = 0; Tlak.Text = "-";Sonar.Text = "-"; Pripojit.Enabled = true; SilaMotoru.Text = "-"; Baterie.Text = "-"; } } }


4

57

NÁVRH LABORATORNÍCH ÚLOH

text

4.1 Inteligentní vyhledávač stopy 4.1.1

Zadání

Navrhněte a vytvořte ve vývojovém prostředí LEGO MINDSTORMS NXT (NXT -G) takový ovládací program pro robota NXT Tribot, aby byl schopen automatické detekce podkladu a barevné stopy, po které se bude pohybovat. Program odlaďte na testovací podloţce (ovál) z příslušenství stavebnice MINDSTORMS. Robot musí být schopen jízdy po oválu ve směru i protisměru hodinových ručiček. 4.1.2

Návrh vývojového diagramu

Vývojový diagram byl vytvořen pomocí programu Diagram Designer 1.2. Jedná se o hrubý náčrt funkce programu. 4.1.2.1 Význam symbolů 4.1.2.1.1 Zpracování Symbol představující jakýkoliv druh zpracování nebo provedení definované operace nebo skupiny operací, jejichţ výsledkem je transformace informace, např. změna hodnoty, umístění apod. Moţnost vstupu do tohoto symbolu je z libovolné strany a těchto vstupů můţe být i několik. Výstup je však v zásadě vţdy jenom jeden.

Obrázek 65: Symbol vývojového diagramu – zpracování


58

4.1.2.1.2 Rozhodování Symbol představuje rozhodovací nebo přepínací funkci. Symbol má jeden vstup a alternativní výstupy. Daný výstup je aktivován po vyhodnocení podmínek uvnitř symbolu.

Obrázek 66: Symbol vývojového diagramu – rozhodování 4.1.2.1.3 Cyklus Tento symbol představuje úpravu nebo modifikaci činnosti, která mění vlastní postup následné činnosti, např. nastavení přepínače, vyjmenování hodnot, kterých nabývá proměnná cyklu, úprava indexového registru a jiné. Symbol má dva vstupy, jeden sekvenční, druhý pro návrat po provedení příslušného bloku operací a dva výstupy, jeden vstupující do daného bloku operací, druhý sekvenční, který pokračuje do další části programu.

Obrázek 67: Symbol vývojového diagramu – cyklus

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 4.1.2.2 Vývojový diagram

Obrázek 68: Vývojový diagram programu

59


60

Program je zaloţen na jednoduchém principu vyhledávání a to tak, ţe se robot postupně otáčí doprava a doleva o určitý stupeň otočení. Pokud nenalezne linii, zvětší stupeň otočení. Pokud nalezne barevnou linii, spustí jízdu vpřed. Dopředu jede tak dlouho, dokud senzor zaznamenává barevnou linii. Pokud nezaznamená barevnou čáru, zastaví se a spustí se znovu vyhledávání linie. Nastavení barvy podkladu a linie je realizováno pomocí tlakového senzoru. Obsluha robota poloţí na podklad, stiskne tlakový senzor, následně jej přemístí na barevnou linii a opět stiskne tlakový senzor. Následně se spustí program. 4.1.3

Vytvoření programu

V aplikaci LEGO MINDSTORMS NXT (NXT-G) zaloţíme nový projekt. V poloţce menu Edit -> Define Variables vytvoříme tři proměnné typu Number, které pojmenujeme: StupenOtoceni, BarvaPodlozky a BarvaLinie.

Obrázek 69: Definice proměnných NXT-G Přemneme se do kompletní palety nástrojů a začneme vybírat potřebné funkční bloky. Jako první začneme výběrem z výstupních operací (Action) bloku Display a stisknutím ltm (levé tlačítko myši) a taţením přesuneme blok na začátek programové linie, která je představována jako bíle kostičky lega. V dialogu pro nastavení bloku vybere akci Text a do příslušného políčka zadáme hodnotu, kterou chceme zobrazit („Nastav podlozku“) a nastavíme souřadnice a řádek umístění.


61

Obrázek 70:Dialog nastavení bloku Display Jako další prvek vloţíme smyčku Loop, u které nastavíme řízení ukončení v závislosti na stisku a puštění tlačítka (Bumped).

Obrázek 71: Dialog nastavení smyčky Do smyčky vloţíme z palety Sensor blok světelného senzoru. Za něj umístíme z palety Data blok Variable, kterému v dialogovém okně přiřadíme jméno BarvaPodlozky a nastavíme jej do reţimu Write. Posunutím kurzoru na spodní okraj bloku světelného senzoru, tak, aby se kurzor změnil na dvojici od sebe směřujících vertikálních šipek a následným kliknutím myši docílíme rozbalení všech pinů. Vybereme pin s názvem Intensity (místo kurzoru se objeví ikona špulky s drátem) a spojíme jej s pinem bloku proměnné. Tento pin vrací procentuální hodnotu intenzity světla. Spojením docílíme, ţe se načtená hodnota ze světelného čidla uloţí do příslušné proměnné. Stejné seskupení bloků vytvoříme pro načtení barvy linie. Při spojování pinů je nutné brát zřetel na jejich druh. Pokud bychom spojili nevhodné piny, čára bude přerušovaná. V případě, ţe spoj přenáší booleový hodnotu, je zelený. Naopak pokud přenáší číselnou hodnotu, je naţloutlý a v případě, ţe se jedná o text, je červený.

Obrázek 72: Načtení hodnot barev

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 Protoţe hodnota snímané intenzity světla kolísá v závislosti na změně okolního světla, je nutné hodnoty proměnných upravit tak, abychom docílili poţadované citlivosti. V tomto případě se proměnná BarvaPodloţky sníţila o hodnotu 20 (čím větší číslo odečteme, tím robot dříve zaznamená, ţe opouští linii) a proměnná BarvaLinie se zvýšila o hodnotu 10. Výsledné hodnoty následně můţeme zobrazit na displeji jednotky, v prvním bloku zobrazíme popisek proměnné a v druhém bloku Display zobrazíme konkrétní hodnotu, kterou ale musíme přetypovat na text. Za zobrazení hodnot proměnných umístíme čekací blok (paleta Flow -> Wait), který nastavíme opět na událost stisku tlačítka.

Obrázek 73: Změna a zobrazení proměnné Pro zpřehlednění programu můţeme z této posloupnosti bloků udělat jeden vlastní. Tedy vytvoříme nějako jako funkci programu. To provedeme tak, ţe taţením myši označíme patřičné bloky a vybereme z hlavní nástrojové lišty tlačítko Create Block. Zde vyplníme jméno a popis bloku a pokračujeme tlačítkem Next, kde nastavíme ikonu bloku. Místo skupiny bloků tak vidíme pouze jeden s příslušným jménem.

Obrázek 74: Vytvoření vlastního bloku

62


63

Nyní uţ se dostáváme k vytvoření vlastního algoritmu vyhledávání. Základem bude nekonečná smyčka, ve které bude jako první blok proměnná StupenOtoceni v reţimu Write a nastavíme mu hodnotu 2. Následující blok bude opět smyčka, kterou bude ukončovat booleova hodnota. V této smyčce začínáme matematickou operací, která dvakrát zvětší hodnotu proměnné StupenOtoceni.

Obrázek 75: Zvětšení stupně otočení Tuto operaci můţeme opět sjednotit do jednoho bloku Vynasobeni. Dále vloţíme blok z palety Sensor s názvem Rotation Sensor ve kterém si vynulujeme senzor otáček pravého kola (port B), protoţe vyuţijeme jeho funkce k získání hodnoty otáčení doleva.

Obrázek 76: Dialog nastavení rotačního senzoru Dále následuje blok proměnné StupenOtoceni v reţimu Read a za ním jsou dva bloky nastavující pohyb motorů. Levý motor směřuje vzad a pravý vpřed. Oba jsou nastavené na 30% výkonu. Jako další blok je smyčka ukončená pravdivostní hodnotou, ve které se jako první nachází senzor pravého kola, do kterého je na aktivační pin (Trigger Point) přivedena hodnota proměnné StupenOtoceni. Další tři bloky jsou sloţeny z proměnné BarvaLinie, světelného senzoru a porovnávací funkce. Jejich funkce je následující: pokud je hodnota na senzoru menší neţ hodnota v proměnné BarvaLinie vrátí porovnávací funkce pravdivou hodnotu. Tento výsledek, spolu s výsledkem senzoru pravého kola (vrací pravda, pokud otáčky motoru dosáhly hodnoty v proměnné StupenOtoceni) jsou přivedeny do logické funkce OR, jejíţ výsledek ovlivňuje ukončení smyčky. V praxi to znamená, ţe pokud


64

světelný senzor zaznamenal čáru a nebo otáčky motoru dosáhly poţadované hodnoty dojde k ukončení smyčky a motory se zastaví.

Obrázek 77: Otáčení doleva Porovnávací funkci světelného senzoru a proměnné lze realizovat i způsobem uvedeném na Obrázek 78. V tomto případě musíme dát pozor na nastavení poloţky Compare (vrací pravdu, jeli hodnota senzoru menší neţ hodnota přivedená na pinu).

Obrázek 78: Porovnání hodnoty senzoru s proměnnou Nalezení čáry ovlivní následující blok Switch, ve kterém je obsaţeno otáčení doprava stejným způsobem, jako tomu bylo při otáčení doleva. Takţe pokud byla naleznuta čára a tedy porovnávací funkce vrací pravdu, tak se blok přeskočí. Pokud nebyla nalezena, provádí se otáčení doprava.


65

Obrázek 79: Otáčení doprava Při procesu otáčení doprava se opět vynásobí proměnná StupenOtoceni hodnotou 2, čímţ se dosáhne návratu robota zpět do původní pozice a otočení o stejný stupeň doprava, jako tomu bylo u otáčení doleva. Výsledky logických funkcí nalezení čáry z obou směrů se přivedou do následující logické funkce, která ukončí celý proces otáčení a spustí jízdu vpřed.

Obrázek 80: Smyčka jízdy vpřed po linii Jízda vpřed je realizována pomocí smyčky, kterou ukončuje pravdivostní hodnota porovnávací funkce, která porovnává hodnotu světelného senzoru a hodnotu BarvaPodlozky. Pokud je hodnota senzoru větší neţ uloţená hodnota v proměnné, ukončí se smyčka jízdy, zastaví se motory a program se vrací na začátek nekonečné smyčky, kde se znovu nastaví stupeň otáčení na hodnotu 2 a spustí se vyhledávání čáry formou otáčení.


66

Výsledný program po zformování do bloků vypadá následovně.

Obrázek 81: Výsledný program sledování linie Nyní zbývá jen stáhnout program do jednotky NXT pomocí USB kabelu a provést vyzkoušení a případně doladění citlivosti senzorů. 4.1.4

Závěr

Pomocí vývojového prostředí NXT-G byl vytvořen program, který řídí robota NXT Tribot po černé linii zobrazené na testovací podloţce, která je příslušenstvím stavebnice MINDSTORMS NXT (test pad). Předvedení v programu v praxi ukázalo, ţe světelný senzor hodně ovlivňuje okolní osvětlení. Sníţení intenzity okolního světla zapříčinilo změnu dekované hodnoty bílé plochy podloţky. Dalším faktorem ovlivňující správnou funkčnost programu je stav napájecích baterii řídící jednotky. Při nedostatečném napájení dochází k nesynchronizovanému otáčení motorů, coţ má neţádoucí vliv především na jízdu vpřed.

4.2 Automatický převozník nákladu 4.2.1

Zadání

Pomocí vývojového prostředí BricxCC vytvořte program pro robota NXT Tribot, který bude mít za úkol dovézt kuličku na úloţiště na konci linie 1 testovací podloţky číslo 2, vyloţit ji a přepravit se k úloţišti na linii 2, pak naloţit kuličku a převést na zbylé úloţiště na linii 3.


Testovací podložka

Obrázek 82: Testovací podloţka Testovací podloţka byla vytvořena na papíru formátu A1.

67


Návrh vývojového diagramu

Obrázek 83: Vývojový diagram

68


69

Vytvoření programu

4.2.4.1 Popis prostředí Program byl vytvořen pomocí vývojového prostředí BricxCC verze 3.3 test release a programovacího jazyka NXC.

Obrázek 84: Verze vývojového prostředí BricxCC V řídící jednotce byl pouţit originální firmware od společnosti LEGO Group verze 1.05. 4.2.4.2 Zdrojový kód Základem programu je načtení barev podkladu a jednotlivých linií. Tuto operaci musí zajistit obsluha robota. K nastavení jednotlivé barvy je vyzvána na displeji jednotky. Obsluha poloţí robota tak, aby světelný senzor byl na potřebné barvě a potvrdí nastavení stisknutím tlakového senzoru. Program vyuţívá jednu funkci, která se v těle volá s 5 parametry, kterými jsou barva čáry, po které robot jede, barva podloţky, koncová barva, na kterou má robot dojet, rychlost pohybu a úkol, který funkci ukončí. Po splnění úkolu vrací funkce pravda. 4.2.4.2.1 Definice globálních proměnných a fuknce:

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 4.2.4.2.2 Tělo funkce:

70


71

Funkce zajišťuje jízdu po dané linii. Vyhledávání probíhá postupným otáčením se doprava a doleva o postupně zvyšující se úhel otočení. Vyhledávání probíhá tak dlouho, dokud světelný senzor nenarazí na poţadovanou barvu. Kdyţ detekuje barvu linie, spustí jízdu

UTB ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, 2008 vpřed, dokud senzor nenarazí na barvu podkladu nebo nedojte ke splnění úkolu. Úkol spočívá buď v nalezení cílové barvy a nebo dotyku čidla s úloţištěm. Pokud splní funkce svůj úkol, vrací hodnotu pravda. 4.2.4.2.3 Tělo programu, načtení barev:

72


73

Po načtení jednotlivých barev je nutné je upravit tak, aby s nimi mohl světelný senzor bez problému pracovat. Jde vlasně o jakési nastavení citlivosti, protoţe světelný senzor není přesný a během jízdy intenzita odraţeného světla kolísá.

Pak se na displeji zobrazí upravené hodnoty barev a program čeká na postavení robota na linii 1 s potvrzení stiskem tlakového senzoru. 4.2.4.2.4 Vlastní funkce programu Jádrem programu je volání funkce, která plní poţadované úkoly. Tedy robot dojede na poţadované místo nebo provede poţadovanou operaci a vrátí úspěch vykonání. Tudíţ z těla programu jen zavoláme funkci s příslušným úkolem. Úkol 1 doveze robota po poţadované linii k černému zakončení. Pak následuje opět volání stejné funkce, ale barva po které se má robot pohybovat je černá a plní úkol číslo 2. V tomto úkolu robot pomaloučku přijíţdí k úloţišti. Aţ je stlačen tlakový senzor, ukončí se funkce a vrátí úspěch. Následně je potřeba couvnout od úloţiště a otočit robota. Otáčení je provedeno pomocí čekací operace Until, která čeká, doku senzor při otáčení nenarazí na barvu linie, po které se bude vracet. Po otočení se opět volá funkce, tentokrát s úkolem číslo 3, který má najít následující linii. Program končí po vyloţení kuličky na barevné linii 3. V paměti řídící jednotky tento program zabírá méně, neţ program pro sledování černé linie vytvořený v originálním prostředí, přičemţ je mnohem sloţitější.


4.2.5

74

Závěr

Program BricxCC plně nahradil originální vývojové prostředí pro robota NXT. Výsledný program zabírá v paměti NXT 16KB. Jelikoţ světelný senzor není přesný, je potřeba při nastavování barevných linii dodrţet přesnost nastavení čidla na barvu. Ke správnému vykonávání programu je nutné mít dostatečné nabité baterie, jinak krokování motorů selţe.


75

ZÁVĚR Cílem teoretické části této diplomové práce bylo zpracovat informace o softwarovém a hardwarovém vybavení stavebnice LEGO MINDSTORMS a vyhledat moţnosti programovacích jazyků. V praktické části se jednalo o vytvoření ovládacího programu robota NXT, coţ bylo realizováno pomocí jazyka NXT# ve vývojovém prostředí MS Visual Studio 2008. Program komunikuje s robotem pomocí bezdrátové technologie Bluetooth a chová se tedy jako dálkové ovládání se zpětnou odezvou ze senzorů robota. Druhá část práce byla věnována návrhu dvou laboratorních úloh včetně dokumentace a vypracování. První laboratorní úloha vyuţívá moţností samotné stavebnice. Pro druhou úlohu byla vytvořena barevná podloţka, na níţ robot vykonává svou činnost.


76

ZÁVĚR V ANGLIČTINĚ The main aim of the theoretical part of this master thesis was to elaborate information about software and hardware equipments of construction kit LEGO MINDSSTORMS NXT and also to found all possibilities of programming languages. Practical part is focused on the development of control application for NXT robot. This application was created by means of NXT# language in development program MS Visual Studio 2008. The application communicates with robot via Bluetooth technology and behaves like remote control with backward response from robots sensors. The second part deals with the proposal of laboratory tasks including all documentation and exemplary elaborations. The first laboratory task takes advantages of construction kit. For the purpose of second laboratory task a color pad was made, which is used by robot to perform its own activity.


77

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] BAGNALL, Brian. Maximum LEGO NXT : Building Robots with Java Brains. Editied by Sylvia Philipps. 1st edition. Canada : Variant Press, c2007. 505 s. ISBN 978-0-9738649-1-5. [2] PERDUE, David J. THE UNOFFICIAL LEGO MINDSTORMS NXT INVENTOR\'S GUIDE. Megan Dunchak; Christina Samuell. 1st edition. San Francisco : No Starch Press, Inc, c2008. 296 s. ISBN 978-1-59327-154-1. [3] ASTOLFO, Dave, FERRARI, Mario, FERRARI, Giulio. BUILDING ROBOTS WITH LEGO MINDSTORMS NXT. Audrey Doyle. 1st edition. Burlington : Syngress Publishing, Inc, c2007. 447 s. ISBN 978-1-59749-152-5. [4] SCHOLZ, Matthias Paul. Advanced NXT: The Da Vinci Inventions Book. Jennifer Whipple. Apress, c2007. 369 s. ISBN 978-1-59059-843-6. [5] GASPERI, Michael, HURBAIN, Philippe, HURBAIN, Isabelle. Extreme NXT : Extending the LEGO MINDSTORMS NXT to the Next Level. Susannah Davidson Pfalzer. [s.l.] : Apress, c2007. 286 s. ISBN 978-1-59059-818-4. [6] BOOGAARTS, Martijn, et al. THE LEGO MINDSTORMS NXT IDEA BOOK : design, invent, and built. Nancy Sixsmith, Megan Dunchak. 1st edition. San Francisco : No Starch Press, Inc, c2007. 344 s. ISBN 978-1-59327-150-3. [7] Hardware Development Kit – balíček dokumentů PDF dostupný na stránkách www.mindstorms.lego.com [8] Návod k vývojovému prostředí LeJOS dostupný na stránkách http://lejos.sourceforge.net/index.php [9] Návod k vývojovému prostředí BricxCC dostupný na stránkách http://bricxcc.sourceforge.net/nbc/ [10] Návod k vývojovému prostředí RobotC.net dostupný na stránkách http://www.robotc.net/index.html [11] Dokumentační balíček dostupný na stránkách http://www.legoeducation.com/ [12] Originální stránky produktu BrickOS dostupné na adrese http://brickos.sourceforge.net/ [13] Informace dostupné na internetové adrese http://nxtsharp.fokke.net/ [14] Podporující balíčky k produktu NXT Education dostupné na adrese http://www.active-robots.com [15] Popis produktů na stránkách společnosti HITECHNIC http://www.hitechnic.com/


78

[16] Srovnávací test vývojových prostředí dostupný na adrese http://www.zive.cz/Titulni-strana/Tri-veterani-uzivatelske-srovnani-integrovanychprostredi-pro-jazyk-C/Microsoft-Visual-C-2005-Express-Borland-Turbo-C-2006Explorer/sc-21-sr-1-a-135680-ch-53813/default.aspx [17] Informace dostupné na stránkách http://www.hluchak.cz/~krhanek/?q=node/1414


SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK ltm

Levé tlačítko myši

ptm

Pravé tlačítko myši

BT

BlueTooth

FW

Firmware

79


80

SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Lego mindstorms NXT kid ...................................................................................10 Obrázek 2: Model tribot ............................................................................................................10 Obrázek 3: Model scorpio ........................................................................................................10 Obrázek 4: Model humanoida ..................................................................................................11 Obrázek 5: Starší model RCX ..................................................................................................11 Obrázek 6: Technologie NXT ..................................................................................................12 Obrázek 7: Porovnání jednotky RCX a NXT ..........................................................................13 Obrázek 8: Popis řídící jednotky ..............................................................................................13 Obrázek 9: Elektronika řídící jednotky ....................................................................................14 Obrázek 10: Blokové schéma řídící jednotky .........................................................................15 Obrázek 11: Schéma zapojení kabelů ......................................................................................16 Obrázek 12: Redukční kabel pro senzory RCX ......................................................................16 Obrázek 13: Servomotor NXT .................................................................................................17 Obrázek 14: Ústrojí servomotoru .............................................................................................17 Obrázek 15: Závislost výkonnosti motoru na točivém momentu při změně napětí..............18 Obrázek 16: Princip tlakového senzoru ...................................................................................18 Obrázek 17: Tlakový senzor .....................................................................................................19 Obrázek 18: Světelný senzor ....................................................................................................19 Obrázek 19: Zvukový senzor....................................................................................................20 Obrázek 20: Princip ultrazvukového senzoru..........................................................................20 Obrázek 21: Ultrazvukový senzor ............................................................................................21 Obrázek 22: Digitální kompas ..................................................................................................21 Obrázek 23: Color sensor .........................................................................................................22 Obrázek 24: Detektro IR záření................................................................................................22 Obrázek 25: Koule vyzařující IR záření ..................................................................................22 Obrázek 26: Konektorová deska pro tvorbu vlastních senzorů ..............................................23 Obrázek 27: Pájecí deska pro výrobu vlastního senzoru ........................................................23 Obrázek 28: Tlačítko pro obnovu firmware ............................................................................25 Obrázek 29: Nouzový reţim pro opětovné nahrání FW .........................................................25 Obrázek 30: Popis řídící jednotky ............................................................................................26 Obrázek 31: Hlavní ikony přístupového menu........................................................................26 Obrázek 32: Logo RobotC ........................................................................................................27


81

Obrázek 33: Logo leJOS ...........................................................................................................27 Obrázek 34: Logo NBC/NXC firmware ..................................................................................28 Obrázek 35: Utilita pro správu paměti jednotky NXT............................................................28 Obrázek 36: Definování programovatelných boxů .................................................................29 Obrázek 37: Příklad vytvořeného programu ...........................................................................30 Obrázek 38: Okno aplikace LEGO MINDSTORMS NXT ....................................................30 Obrázek 39: Panel nástrojů LEGO Software...........................................................................31 Obrázek 40: Palety nástrojů LEGO softwaru ..........................................................................32 Obrázek 41: Ovládací prvek programu ....................................................................................33 Obrázek 42: Funkční blok ovládání motoru ............................................................................33 Obrázek 43: Funkční blok opakovací smyčky ........................................................................34 Obrázek 44: Funkční blok podmínka .......................................................................................34 Obrázek 45: Funkční blog čekání na událost ..........................................................................34 Obrázek 46: Jednoduchý program pro NXT ...........................................................................35 Obrázek 47: Formulář pro připojení BricxCC k jednotce NXT .............................................36 Obrázek 48: Okno aplikace BricxCC.......................................................................................36 Obrázek 49: Nástroje pro kompilaci programu v BricxCC ....................................................37 Obrázek 50: Prohlíţeč projektu a funkcí .................................................................................37 Obrázek 51: Srovnání velikosti téhoţ programu vytvořeného v NXT-G ..............................40 Obrázek 52: Dialogové okno About RobotC ..........................................................................40 Obrázek 53: Okno aplikace RobotC ........................................................................................41 Obrázek 54: Okno aplikace SharpDevelop 2.2 .......................................................................43 Obrázek 55: Okno aplikace Borland Turbo C# 2006 .............................................................43 Obrázek 56: Okno aplikace Microsoft Visual C# Express .....................................................44 Obrázek 57: USB kabel pro připojení NXT ............................................................................46 Obrázek 58: Vhodný USB dongle............................................................................................46 Obrázek 59: Komunikace mezi jednotkami ............................................................................47 Obrázek 60: Komunikační vrstvy PC a NXT ..........................................................................48 Obrázek 61: Okno programu Ovladač NXT - Tribot ..............................................................51 Obrázek 62: Objekty knihovny Bram.NxtSharp.dll................................................................52 Obrázek 63: Objekty pouţité z knihovny ................................................................................52 Obrázek 64: Sloučení periferií s jednotkou .............................................................................53 Obrázek 65: Symbol vývojového diagramu – zpracování ......................................................57


82

Obrázek 66: Symbol vývojového diagramu – rozhodování ...................................................58 Obrázek 67: Symbol vývojového diagramu – cyklus .............................................................58 Obrázek 68: Vývojový diagram programu ..............................................................................59 Obrázek 69: Definice proměnných NXT-G ............................................................................60 Obrázek 70:Dialog nastavení bloku Display ...........................................................................61 Obrázek 71: Dialog nastavení smyčky ....................................................................................61 Obrázek 72: Načtení hodnot barev ...........................................................................................61 Obrázek 73: Změna a zobrazení proměnné .............................................................................62 Obrázek 74: Vytvoření vlastního bloku ...................................................................................62 Obrázek 75: Zvětšení stupně otočení .......................................................................................63 Obrázek 76: Dialog nastavení rotačního senzoru ....................................................................63 Obrázek 77: Otáčení doleva .....................................................................................................64 Obrázek 78: Porovnání hodnoty senzoru s proměnnou ..........................................................64 Obrázek 79: Otáčení doprava ...................................................................................................65 Obrázek 80: Smyčka jízdy vpřed po linii ................................................................................65 Obrázek 81: Výsledný program sledování linie ......................................................................66 Obrázek 82: Testovací podloţka ..............................................................................................67 Obrázek 83: Vývojový diagram ...............................................................................................68 Obrázek 84: Verze vývojového prostředí BricxCC ................................................................69


83

SEZNAM TABULEK Tabulka 1: Kompatibilita RCX a NXT zařízení......................................................................16 Tabulka 2: Příkazy pro programovatelné boxy .......................................................................30 Tabulka 3: Seznam kompatibibilních USB zařízení ...............................................................47 Tabulka 4: Struktura Bluetooth paketu ....................................................................................48


SEZNAM PŘÍLOH 1. CD s elektronickou podobou diplomové práce 2. Zadání laboratorní úlohy 1 3. Zadání laboratorní úlohy 2

84

PŘÍLOHA P I: ZADÁNÍ LABORATORNÍ ÚLOHY 1 Inteligentní vyhledávač stopy 1. Zadání Navrhněte a vytvořte ve vývojovém prostředí NXT-G takový ovládací program pro robota NXT Tribot, aby byl schopen automatické detekce podkladu a barevné stopy, po které se bude pohybovat. Program odlaďte na testovací podloţce (ovál) z příslušenství stavebnice MINDSTORMS. Robot musí být schopen jízdy po oválu ve směru i protisměru hodinových ručiček.

2. Návrh vývojového diagramu Sestavte vývojový diagram ovládacího programu (například v programu SmartDraw, Diagram Designer 1.20 nebo MSWord) a popište funkci jednotlivých bloků.

3. Vytvoření programu 1. Spusťte vývojové prostředí NXT-G a seznamte se uţivatelským rozhraním 2. Přetahováním funkčních bloků z nástrojové palety (doporučuji pouţívat kompletní paletu) na časovou linii sestavte program. 3. Vytvořený program stáhněte přes USB kabel pomocí ovládacího prvku v pravém dolním rohu aplikace do řídící jednotky NXT.

4. Spusťte a odlaďte vytvořený program s robotem NXT Tribot na testovací podloţce. 5. Vypracujte protokol Základní funkční bloky: Pohyb motorů: Umoţňuje nastavování rychosti, směru, brţdění, dobu chodu a výběr motoru.

Opakovací smyčka: Umoţňuje opakování akce na základě stanovené podmínky.

Podmínka: Jako podmínka můţe slouţit údaj senzoru nebo vstupní logická hodnota. Podle vyhodnocení podmínky se provede daná operace. (Alternativa k if{} else{}).

Čekání na událost: Zastaví chod programu dokud nenastane nějaká událost na čidlech nebo dokud nevyprší časový limit.

Vytvoření proměnné: Poloţka menu Edit -> Define Variables

Porovnání proměnné s údajem čidla:

Pokud je údaj světelného senzoru menší neţ hodnota v proměnné BarvaLinie vrátí hodnotu pravda. Vytvoření vlastního bloku: Taţením myši označíme patřičné bloky a vybereme z hlavní nástrojové lišty tlačítko Create Block. Zde vyplníme jméno a popis bloku a pokračujeme tlačítkem Next, kde nastavíme ikonu bloku. Místo skupiny bloků pak vidíme pouze jeden s příslušným jménem.

V poloţce menu Edit -> MyBlock můţeme vytvořený blok dodatečně editovat.

4. Závěr Zhodnoťte průběh vytváření programu a výsledky práce. Odůvodněte svůj algoritmus.

PŘÍLOHA P II: ZADÁNÍ LABORATORNÍ ÚLOHY 2 Automatický převozník nákladu 1. Zadání Pomocí vývojového prostředí BricxCC vytvořte program pro robota NXT Tribot, který bude mít za úkol dojet pro kuličku na linii 1, naloţit ji a převézt na úloţiště na linii 2, pak naloţit kuličku na linii 3 a převést na zbylé úloţiště na linii 1. K programu vytvořte průvodní protokol.

2. Návrh vývojového diagramu Sestavte vývojový diagram ovládacího programu (například v programu SmartDraw, Diagram Designer 1.20 nebo MSWord) a popište funkci jednotlivých bloků.

3. Vytvoření programu 1. K vytvoření programu pouţijte vývojové prostředí BricxCC. Programování je zaloţeno na jazyku C. 2. Postup kompilace a stahování: 3. Pomocí USB kabelu připojte jednotku NXT k PC a zapněte ji. 4. Spusťte program BricxCC 5. Nastavte následující parametry:

6. Kompilace a staţení programu do řídící jednotky se provádí pomocí nástrojových tlačítek.

7. Pomocí USB kabelu stáhněte vytvořený program do řídící jednotky NXT a proveďte jeho odladění na testovací podloţce se třemi liniemi. 8. Vypracujte protokol. Příklady syntaxe: #define tlacitko SENSOR_1 // definuje jméno proměnné jako senzor na portu 1

#define svetlo SENSOR_3 // definuje jméno proměnné jako senzor na portu 3 inline bool SledujCaru (int promena1, int promena2) {return true;} // definice funkce se 2 vstupy, vrací pravdivostní hodnotu task main { ResetTachoCount(OUT_A); // vynuluje sensor otáček OnFwd(OUT_A,rychlost); // spustí motor na portu A vpřed definovanou rychlostí (0-100) OnRev(OUT_B,rychlost); // spustí motor na portu B vzad definovanou rychlostí (0-100) until (MotorTachoCount(OUT_A)>180); // čeká, až se motor otočí o vice než 180° Off(OUT_AB); //Zabrzdí motory na portu A,B SetSensorLight(IN_3); // Inicializuje světelný senzor na portu 3 SetSensorTouch(IN_1); // nastaví port 1 jako tlakové čidlo tast = Sensor(IN_1); // čte hodnotu senzoru - 0 rozepnuto, 1 sepnuto TextOut(30,LCD_LINE4,"Ahoj"); // Zobrazí na souř. x=30 na 4.řádku text Ahoj (displej má 8 řádků) while(„podminka“) {} //Dělej dokud je splněna podmínka do {} while(“podminka”); repeat(“pocet opakovani”) {} //Opakuje akci daný počet krát Wait(“hodnota”) ; //Uspí program na danou dobu – 1000 = 1 sekunda until(“podminka”); // Čeká, dokud není splněná podmínka if (“podminka”) {“neco”} else {“jineho”} } //hlavní fce program

4. Závěr Zhodnocení výsledků.

Ovládání laboratorního modelu robota Mindstorms

Recommend Documents